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教育综合
2023-09-06 17:44:24

公差与配合

(一)公差与配合的基本概念

1.互换性和公差

所谓零件的互换性,就是从一批相同的零件中任取一件,不经修配就能装配使用,并能保证使用性能要求,零部件的这种性质称为互换性。零、部件具有互换性,不但给装配、修理机器带来方便,还可用专用设备生产,提高产品数量和质量,同时降低产品的成本。要满足零件的互换性,就要求有配合关系的尺寸在一个允许的范围内变动,并且在制造上又是经济合理的。

公差配合制度是实现互换性的重要基础。

2.基本术语

在加工过程中,不可能把零件的尺寸做得绝对准确。为了保证互换性,必须将零件尺寸的加工误差限制在一定的范围内,规定出加工尺寸的可变动量,这种规定的实际尺寸允许的变动量称为公差。

有关公差的一些常用术语见图1-82。

图1-82 尺寸公差术语图解

1)基本尺寸。根据零件强度、结构和工艺性要求,设计确定的尺寸。

2)实际尺寸。通过测量所得到的尺寸。

3)极限尺寸。允许尺寸变化的两个界限值。它以基本尺寸为基数来确定。两个界限值中较大的一个称为最大极限尺寸;较小的一个称为最小极限尺寸。

4)尺寸偏差(简称偏差)。某一尺寸减其相应的基本尺寸所得的代数差。尺寸偏差有:

上偏差=最大极限尺寸-基本尺寸

下偏差=最小极限尺寸-基本尺寸

上、下偏差统称极限偏差。上、下偏差可以是正值、负值或零。国家标准规定:孔的上偏差代号为ES,孔的下偏差代号为EI;轴的上偏差代号为es,轴的下偏差代号为ei。

5)尺寸公差(简称公差。允许实际尺寸的变动量

尺寸公差=最大极限尺寸-最小极限尺寸=上偏差-下偏差

因为最大极限尺寸总是大于最小极限尺寸,所以尺寸公差一定为正值。

6)公差带和零线。由代表上、下偏差的两条直线所限定的一个区域称为公差带。为了便于分析,一般将尺寸公差与基本尺寸的关系,按放大比例画成简图,称为公差带图(图1-83)。

图1-83 公差带图

在公差带图中,确定偏差的一条基准直线,称为零偏差线,简称零线,通常零线表示基本尺寸。

7)标准公差。用以确定公差带大小的任一公差。国家标准将公差等级分为20级:IT01、IT0、IT1至IT18。“IT”表示标准公差,公差等级的代号用阿拉伯数字表示。IT01至IT18,精度等级依次降低。标准公差等级数值可查有关技术标准。

8)基本偏差。用以确定公差带相对于零线位置的上偏差或下偏差。一般是指靠近零线的那个偏差。根据实际需要,国家标准分别对孔和轴各规定了28个不同的基本偏差,基本偏差系列如图1-84所示。从图1-84可知:基本偏差用拉丁字母表示,大写字母代表孔,小写字母代表轴。公差带位于零线之上,基本偏差为下偏差;公差带位于零线之下,基本偏差为上偏差。

9)孔、轴的公差带代号。由基本偏差与公差等级代号组成,并且要用同一号字母和数字书写。例如ϕ50H8的含义是:

地勘钻探工：基础知识

此公差带的全称是:基本尺寸为ϕ50,公差等级为8级,基本偏差为H的孔的公差带。

图1-84 基本偏差系列图

又如ϕ50f7的含义是:

地勘钻探工：基础知识

此公差带的全称是:基本尺寸为ϕ50,公差等级为8级,基本偏差为f的轴的公差带。

(二)配合及配合制度

基本尺寸相同,相互结合的孔和轴公差带之间的关系称为配合。

1.配合的种类

根据机器的设计要求和生产实际的需要,国家标准将配合分为三类:

1)间隙配合。孔的公差带完全在轴的公差带之上,任取其中一对轴和孔相配都成为具有间隙的配合(包括最小间隙为零),如图1-85所示。

图1-85 间隙配合

2)过盈配合。孔的公差带完全在轴的公差带之下,任取其中一对轴和孔相配都成为具有过盈的配合(包括最小过盈为零),如图1-86所示。

图1-86 过盈配合

3)过渡配合。孔和轴的公差带相互交叠,任取其中一对孔和轴相配合,可能具有间隙,也可能具有过盈的配合(图1-87)。

图1-87 过渡配合

2.配合的基准制

国家标准规定了两种基准制:

1)基孔制。这种制度在同一基本尺寸的配合中,是将孔的公差带位置固定,通过变动轴的公差带位置,得到各种不同的配合(图1-88)。

图1-88 基孔制配合

基孔制的孔称为基准孔。国标规定基准孔的下偏差为零,“H”为基准孔的基本偏差。

2)基轴制。这种制度在同一基本尺寸的配合中,是将轴的公差带位置固定,通过变动孔的公差带位置,得到各种不同的配合(图1-89)。

图1-89 基轴制配合

基轴制的轴称为基准轴。国家标准规定基准轴的上偏差为零,“h”为基轴制的基本偏差。

(三)形状和位置公差

1.基本概念

(1)形状误差

形状误差是指被测实际要素对其理想要素的变动量。理想要素的位置应符合最小条件。

形状误差在零件加工过程中产生,因此被测实际要素总是存在一定的形状误差。

(2)形状公差

形状公差是指单一实际要素的形状所允许的变动全量。它是为了限制形状误差而设置的,一般用于单一要素。

形状公差包含直线度、平面度、圆度、圆柱度四项。

(3)位置误差

位置误差是指关联实际要素对其理想要素的变动量。

标准规定位置误差有三种:一是定向误差,即被测实际要素对一具有确定方向的理想要素的变动量,理想要素的方向由基准确定;二是定位误差,即被测实际要素对一具有确定位置的理想要素的变动量,理想要素的位置由基准和理论正确尺寸确定;三是跳动误差,即被测要素绕基准轴线无轴向移动地回转一周或连续回转时,由位置固定或沿理想素线连续移动的指示器在给定方向上测得的最大与最小读数之差。

(4)位置公差

国标指出,位置公差是关联实际要素的位置对基准所允许的变动全量,它是用来限制位置误差的。

位置公差的种类,按其项目分为以下三种:

1)定向公差指关联实际要素对基准在方向上允许的变动全量,用于控制定向误差,包含平行度、垂直度、倾斜度三种。

2)定位公差指关联实际要素对基准在位置上允许的变动全量,用于控制定位误差,包含同轴度、对称度、位置度三种。

3)跳动公差指关联实际要素绕基准回转一周或连续回转时所允许的最大跳动量,用于控制跳动误差,包含圆跳动和全跳动两项。

2.形位公差带

(1)形状和位置公差带的定义

形状和位置公差带是指限制实际要素变动的区域,简称为形位公差带。

(2)形位公差带与尺寸公差带区别

形位公差带与尺寸公差带控制的对象不同。尺寸公差带是用来限制零件实际尺寸的大小,通常是平面的区域;而形位公差带是用来限制零件被测要素的实际形状和位置变动的范围,通常是空间的区域。

(3)形位公差带的组成

形位公差带由形状、大小、方向和位置四个因素确定。

1)公差带的形状由被测要素的几何特征和设计要求来确定,它主要的有九种形式。

2)公差带的大小由公差值表示,用以体现形位精度要求的高低,一般指形位公差带的宽度或直径,如t或ϕt,Sϕt。当公差带为圆形或圆柱形时,公差值前加ϕ,当公差带为球形时,公差值前加Sϕ。

3)公差带的方向是指组成公差带的几何要素的延伸方向,分理论方向和实际方向两种。①形位公差带的理论方向:与图样上公差代号的指引线箭头方向垂直,如图1-90a中平面度公差带的方向为水平方向;图1-90a中垂直度公差带的方向为铅垂方向。②形位公差带的实际方向:就形状公差带而言,它由最小条件决定,如图1-90b所示;就位置公差带来讲,其实际方向应与基准的理想要素保持正确的方向关系,如图1-91b所示。

图1-90 形状公差带的方向

4)公差带的位置分为浮动和固定两种。①浮动位置公差带:是指形位公差带在尺寸公差带内,随实际尺寸的不同而变动,其实际位置与实际尺寸有关,如图1-92所示的平行度公差带的两个不同位置。②固定位置公差带:是指公差带的位置由图样上给定的基准和理论正确尺寸确定。如图1-93所示的同轴度公差带,其公差带为一圆柱面内的区域,该圆柱面的轴线应和基准在一条直线上,因而其位置由基准确定,此时的理论正确尺寸为零。理论正确尺寸是指确定理想被测要素的形状、方向、位置的尺寸。此尺寸不附带公差,标注时需围以框格。在形位公差中,属于固定位置公差带有同轴度、对称度、位置度和有基准要求的轮廓度,如无特殊要求,其他形位公差的公差带位置都是浮动的。

图1-91 位置公差带的方向

图1-92 浮动位置公差带

图1-93 固定位置公差带

3.形位公差与尺寸公差的关系

公差原则可确定尺寸公差与形位公差之间的相互关系。分独立原则和相关要求两大类。

(1)有关术语及定义

1)局部实际尺寸。孔和轴分别用(D_a,d_a)表示。

2)体外作用尺寸。被测要素的给定长度上,与实际表面体外相接的最小理想面或最大理想面的直径或宽度称体外作用尺寸。如图194所示,与实际外表面体相接的最小理想面的或与实际内表面体处相接的最大理想面的直径或宽度称体外作用尺寸。分别用D_fe、d_fe表示。

图1-94 实际尺寸和作用尺寸

3)体内作用尺寸。是指在被测要素的给定长度上,与实际内表面体内相接的最小理想面或最大理想面的直径或宽度。分别用D_fi、d_fi表示。

4)最大实体状态、尺寸、边界。

最大实体状态(MMC):是指实际要素在给定长度上处处位于尺寸极限之内并具有实体最大时的状态,即实际要素在极限尺寸范围内具有材料量最多的状态。孔、轴处于最大实体状态时,允许其中心要素有形位误差。

最大实体尺寸(MMS):是指实际要素在最大实体状态下的极限尺寸。对于内表面为最小极限尺寸;对于外表面为最大极限尺寸。内、外表面的最大实体尺寸的代号分别为D_M、d_M。

最大实体边界:由设计给定的具有理想形状的极限包容面,尺寸为最大实体尺寸的边界称MMB。

5)最小实体状态、尺寸、边界。

最小实体状态(LMC):是指实际要素在给定长度上处处位于尺寸极限之内并具有实体最小时的状态,即实际要素在极限尺寸范围内具有材料量最少的状态。孔、轴处于最小实体状态时,允许其中心要素有形位误差。

最小实体尺寸(LMS):是指实际要素在最小实体状态下的极限尺寸。对于内表面为最大极限尺寸;对于外表面为最小极限尺寸。内、外表面的最小实体尺寸的代号分别为D_L、d_L。

最小实体边界:由设计给定的具有理想形状的极限包容面,尺寸为最小实体尺寸的边界称LMB。

6)最大实体实效状态、尺寸、边界。

最大实体实效状态(MMVC):是指在给定长度上,实际要素处于最大实体状态且其中心要素的形状或位置误差等于给出的公差值时的综合极限状态。

最大实体实效尺寸(MMVS):是指要素在最大实体实效状态下的体外作用尺寸。内、外表面的最大实体实效尺寸的代号分别为D_MV、d_MV。

对于内表面(孔),它为最大实体尺寸减去形位公差值t(加注符号

的),即

D_MV=D_M-t

对于外表面(轴),它为最大实体尺寸加上形位公差值t(加注符号

的),即

d_MV=d_M-t

最大实体实效边界(MMVB)尺寸为最大实体实效尺寸的边界。

7)最小实体实效状态、尺寸、边界。

最小实体实效状态(LMVC):是指在给定长度上,实际要素处于最小实体状态且中心要素的形状或位置误差等于给出公差值时的综合极限状态。

最小实体实效尺寸(LMVS):是指要素在最小实体实效状态下的体内作用尺寸。内、外表面的最小实体尺寸的代号分别为D_LV、d_LV。

对于内表面,它为最小实体尺寸加上形位公差值t(加注符号

的),即

D_LV=D_L-t

对于外表面,它为最小实体尺寸减去形位公差值t(加注符号

的),即

d_LV=d_L-t

最小实体实效边界(LMVB)尺寸为最小实体实效尺寸的边界。

(2)独立原则

指被测要素在图样上给出的尺寸公差与形位公差各自独立,分别满足要求的公差原则(图1-95)。

图1-95 独立原则标注示例图

(3)相关要求

尺寸公差与形位公差相互有关的设计要求。分为:包容要求、最大实体要求、最小实体要求、可逆要求(可逆要求不能单独使用,只能最大实体要求或最小实体要求联用)。

1)包容要求。单一要素的尺寸极限偏差或公差代号后面注有符号Ⓔ时,则表示该单一要素遵守包容要求(图1-96)。

此时被测要素应遵守最大实体边界,即当实际尺寸处处为最大实体尺寸时,形状公差为零,实际尺寸偏离最大实体尺寸时,允许形状误差相应增大,但体外作用尺寸不得超过最大实体尺寸,局部实际尺寸不得超过其最小实体尺寸。既

外表面:d_fe≤d_M(d_max)d_a≥d_L(d_min)

内表面:D_fe≥D_M(D_min)D_a≤D_L(D_max)

图1-96 包容要求应用示例图

2)最大实体要求及可逆要求。

①最大实体要求用于被测要求。在形位公差内公差值后标注

。最大实体要求用于被测要素,其形位公差值是在该要素处于最大实体状态时给定的。当被测要素的实际较偏离最大实体状态,既实际尺寸偏离最大实体尺寸时,允许的形位误差值增加,增加量为实体尺寸对最大实体尺寸的偏移量,最大增加量等于被测要素的尺寸公差。最大实体要求用于被测要素时,被测要素应遵守最大实体实效边界。即

外表面:d_fe≤d_MV=d_max+t,d_max≥d_a≥d_min

内表面:D_fe≥D_MV=D_min-t,D_max≥D_a≥D_min

如图1-97a所注的轴,当轴处于最大实体状态(实际尺寸为ϕ20mm)时,轴线的直线度公差为ϕ0.1mm,如图1-97b所示。当轴实际尺寸＜ϕ20mm,为ϕ1.9.9mm时,轴线的直线度公差为:0.1+0.1=0.2mm,如图1-97c所示。

当轴的实际尺寸为最小实体尺寸ϕ19.7mm时,轴线的直线度可能最大值,且等于给出的直线度公差与尺寸公差之和,为0.1+0.3=0.4mm(图1-97d)。

在图1-97b、1-97c、1-97d中,轴的体外作用尺寸都没有超过最大实体实效边界(ϕ20.1mm的圆柱面),实际尺寸均未超过最大、最小极限尺寸,所以是合格的。

②可逆要求用于最大实体要求。

图样上形位框格公差中,在被测要素形位公差值后面符号

之后标注

时,则表示被测要素遵守最大实体要求的同时遵守可逆要求。

除具有上述大实体要求用于被测要素时的含义外,还表示当形位误差小于给定的形位公差时,也允许实际尺寸超出最大实体尺寸;当形位误差为零时,允许尺寸超出量最大,为形位公差值,从而实现尺寸公差与形位公差的相互转换。

(四)表面粗糙度

1.表面粗糙度的概念

零件在加工过程中,受刀具的形状和刀具与工件之间的摩擦、机床的震动及零件金属表面的塑性变形等因素,表面不可能绝对光滑(图1-98)。零件表面上这种具有较小间距的峰谷所组成的微观几何形状特征称为表面粗糙度。一般来说,不同的表面粗糙度是由不同的加工方法形成的。表面粗糙度是评定零件表面质量的一项重要的指标,降低零件表面粗糙度可以提高其表面耐腐蚀、耐磨性和抗疲劳等能力,但其加工成本也相应提高。因此,零件表面粗糙度的选择原则是:在满足零件表面功能的前提下,表面粗糙度允许值尽可能大一些。

图1-97 最大实体要求用于被测要素示例

图1-98 表面粗糙度

2.表面粗糙度的评定参数

(1)轮廓算术平均偏差(Ra)

指在取样长度内纵坐标值的算术平均值,代号为Ra(图1-99)。其表达式近似为

地勘钻探工：基础知识

式中:

分别为轮廓线上各点的轮廓偏距,即各点到轮廓中线的距离。

图1-99 轮廓算术平均偏差Ra

Ra参数测量方便,能充分反映表面微观几何形状的特性。

(2)轮廓最大高度Rz

是指在取样长度内,最大的轮廓峰高Rp与最大的轮廓谷深Rv之和的高度,代号为Rz,如图1-100所示。Rz的表达式可表示为

Rz=Rp+Rv

图1-100 轮廓最大高度Rz

3.表面粗糙度的符号

(1)表面粗糙度的符号及意义(表1-24)

表1-23 表面粗糙度的符号

(2)表面粗糙度要求图样标注的演变

表面粗糙度要求图样标注从GB/T131演变到现在,已是第三版(表1-24)。

地勘钻探工：基础知识

注:①既没有默认值也没有其他细节,尤其是:无默认评定长度;无默认取样长度;无“16%规则”或“最大规则”。②在GB/T3505—1983和GB/T10610—1989国标表面粗糙度中定义的默认值和规则仅用于参数Ra、Ry和Rz(十点高度)。此外,GB/T131—1993国标中表面粗糙度标注存在着参数代号书写不一致问题,标准正文要求参数代号第二个字母标注为下标,但在所有的图表中,第二个字母都是小写,而当时所有的其他表面结构标准都使用下标。③新的Rz为原Ry的定义,原Ry的符号不再使用。④表示没有该项。

4.表面粗糙度代号

(1)表面粗糙度代号

在表面粗糙度符号的规定位置上,注出表面粗糙度数值及相关的规定项目后就形成了表面粗糙度代号。表面粗糙度数值及其相关的规定在符号中注写的位置(图1-101)。

图1-101 表面粗糙度代号

1)位置a注写表面粗糙度的单一要求。标注表面粗糙度参数代号、极限值和取样长度。为了避免误解,在参数代号和极限值间应插入空格。取样长度后应有一斜线“/”之后是表面粗糙度参数符号,最后是数值,如:-0.8/Rz6.3。

2)位置a和b注写两个或多个表面粗糙度要求。在位置a注写一个表面粗糙度要求,方法同①。在位置b注写第二个表面粗糙度要求。如果要注写第三个或更多个表面粗糙度要求,图形符号应在垂直方向扩大,以空出足够的空间。扩大图形符号时,a和b的位置随之上移。

3)位置c注写加工方法。注写加工方法、表面处理、涂层或其他加工工艺要求等。如车、磨、镀等加工表面。

4)位置d注写表面纹理和方向。注写所要求的表面纹理和纹理的方向,如“=”、“×”、“Μ”等(表1-25)。

表1-25 表面粗糙度代号的标注示例及意义

5)位置e注写加工余量注写所要求的加工余量,以毫米为单位给出数值。

(2)表面粗糙度评定参数的标注

表面粗糙度评定参数必须注出参数代号和相应数值,数值的单位均为微米(μm),数值的判断规则有两种:

1)16%规则,是所有表面粗糙度要求默认规则;

2)最大规则,应用于表面粗糙度要求时,则参数代号中应加上“max”。

当图样上标注参数的最大值(max)或(和)最小值(min)时,表示参数中所有的实测值均不得超过规定值。当图样上采用参数的上限值(用U表示)(或、和)下限值(用L表示)时(表中未标注max或min的),表示参数的实测值中允许少于总数的16%的实测值超过规定值。具体标注示例及意义见表1-25。

(3)评定长度的(l_n)的标注

若所标注的参数代号没有“max”,表明采用的有关标准中默认的评定长度。

若不存在默认的评定长度时,参数代号中应标注取样长度的个数,如Ra3,Rz3……(要求评定长度为3个取样长度)。

(4)加工方法或相关信息的注法

如零件的加工表面的粗糙度要求由指定的加工方法获得时,用文字标注在符号上边的横线上(图1-102)。

在符号的横线上面也可注写镀(涂)覆或其他表面处理要求。如图1-103镀覆后达到的参数值这些要求也可在图样的技术要求中说明。

(5)表面纹理的注法

需要控制表面加工纹理方向时,可在完整符号的右下角加注加工纹理方向符号(图1-104)。常见的加工纹理方向符号见表1-26。

图1-102 加工方法的标注

图1-103 镀覆的标注

图1-104 加工纹理方向的标注

表1-26 常见的加工纹理方向

注:如果表面纹理不能清楚地用这些符号表示,必要时,可以在图样上加注说明。

(6)加工余量

在同一图样中,有多道加工工序的表面可标注加工余量时。加工余量标注在完整符号的左下方,单位为mm(图1-105)。

图1-105 加工余量的标注

5.表面粗糙度代号在图样上的标注方法

表面粗糙度要求对每一表面一般只标注一次,并尽可能注在相应的尺寸及其公差的同一视图上。除非另有说明,所标注的表面粗糙度要求是对完工零件表面的要求。

(1)标注的总原则

《GB/T4458.4-2003 机械制图尺寸注法》规定,使表面粗糙度的注写和读取方向与尺寸的注写和读取方向一致(图1-106)。

(2)表面粗糙度要求的标注

1)标注在轮廓线上或指引线上。表面粗糙度要求可标注在轮廓线上,其符号应从材料外指向并接触表面。必要时,表面粗糙度符号也可用带箭头或黑点的指引线引出标注(图1-107、图1-108)。

图1-106 表面粗糙度的注写方向

图1-107 表面粗糙度要求在轮廓线上的标注

图1-108 用指引线引出标注表面粗糙度要求

2)标注在特征尺寸的尺寸线上。在不致引起误解时,表面粗糙度要求可以标注在给定的尺寸线上(图1-109)。

3)标注在形位公差的框格上。表面粗糙度要求可标注在形位公差框格的上方(图1-110)。

图1-109 表面粗糙度要求标注在尺寸线上

图1-110 表面粗糙度要求标注在形位公差框格的上方

4)标注在延长线上。表面粗糙度要求可以直接标注在延长线上,或用带箭头的指引线引出标注(图1-107、图1-111)。

5)标注在圆柱和棱柱表面上。圆柱和棱柱表面的表面粗糙度要求只标注一次(图1-111)。如果每个棱柱表面有不同的表面粗糙度要求,则应分别单独标注(图1-112)。

(3)两种或多种工艺获得的同一表面的注法

由几种不同的工艺方法获得的同一表面,当需要明确每种工艺方法的表面粗糙度要求时,可如图1-113所示进行标注。

图1-111 表面粗糙度要求标注在圆柱特征的延长线上

图1-112 圆柱和棱柱的表面粗糙度要求的注法

图1-113 同时给出镀覆前后的表面粗糙度要求的注法

(4)表面粗糙度要求的简化注法

为了提高绘图效率或标注位置受到限制时,可采用简化标注方法。

1)有相同表面粗糙度要求的简化注法。如果在工件的多数(包括全部)表面有相同的表面粗糙度要求,则其表面粗糙度要求可统一标注在图样的标题栏附近。此时(除全部表面有相同要求的情况外),表面粗糙度要求的符号后面应有:①在圆括号内给出无任何其他标注的基本符号(图1-114)。②在圆括号内给出不同的表面粗糙度要求(图1-115)。不同的表面粗糙度要求应直接标注在图形中(图1-114、图1-115)。

图1-114 大多数表面有相同表面粗糙度要求的简化注法(一)

图1-115 大多数表面有相同表面粗糙度要求的简化注法(二)

2)多个表面有共同要求的注法。当多个表面具有相同的表面粗糙度要求或图纸空间有限时可以采用简化注法。①用带字母的完整符号的简化注法。可用带字母的完整符号,以等式的形式,在图形或标题栏附近,对有相同表面结构要求的表面进行简化标注(图1-116)。②只用表面粗糙度符号的简化注法。可用基本和扩展的表面粗糙度符号,以等式的形式给出对多个表面共同的表面粗糙度要求(图1-117、图1-118、图1-119)。

图1-116 图纸空间有限时的简化注法

图1-117 未指定工艺方法的多个表面粗糙度要求的简化注法

图1-118 要求去除材料的多个表面粗糙度要求的简化注法

图1-119 不允许去除材料的多个表面粗糙度要求的简化注法